基于扁銅線繞組的車用永磁同步電機性能分析

作者簡介：姚學松（1987—），男，工程師，碩士，主要從事新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)研究工作。

0   引言

永磁同步電機作為當前電動汽車的核心零部件^[1]，其性能直接影響電動汽車的動力性、經(jīng)濟性及可靠性。目前的永磁同步電機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，動力性、可靠性方面均可滿足電動汽車的要求。

但對經(jīng)濟性的追求是無止境的。電動汽車對永磁同步電機的經(jīng)濟性需求主要指以最低的單位成本實現(xiàn)最高的輸出能力，同時獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。扁銅線繞組（又稱發(fā)卡式繞組、Hair-Pin繞組）技術(shù)是當前的熱門技術(shù)，國內(nèi)外電動汽車驅(qū)動電機已普遍采用。區(qū)別于傳統(tǒng)的圓線電機繞組通過定子槽口嵌入到定子槽內(nèi)，扁銅線電機的結(jié)構(gòu)特點為繞組成型后直接從定子端面插入到定子槽內(nèi)，不受定子槽口尺寸的影響，所以定子繞組的兩端尺寸短，且繞組的槽滿率可以設(shè)計得更高。因此，扁銅線繞組電機的端部損耗更低、功率密度更高，從而達到了提高電機效率、降低成本的目的^[2]，符合電動汽車對驅(qū)動電機的性能需求及經(jīng)濟性需求。

本文基于一款36 kW的電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機，將原本的傳統(tǒng)圓銅線繞組永磁同步電機改為扁銅線繞組永磁同步電機，通過對比分析圓銅線繞組電機和扁銅線繞組電機的性能，并結(jié)合電動汽車的NEDC（新歐洲駕駛周期）工況^[3]，分析圓銅線繞組電機和扁銅線繞組電機整車NEDC工況下的能耗情況，總結(jié)扁銅線繞組對電機性能和整車能耗的提升幅度，為后續(xù)的扁銅線電機設(shè)計提供一定的參考。

1   電機主要參數(shù)模型

電機運轉(zhuǎn)時，能量以電磁能的形式通過定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙進行傳遞，對應(yīng)的功率稱為電磁功率，因此電磁功率與電機的主要尺寸密切相關(guān)^[4]，其計算公式可表達為：

式中，D為電機的定子鐵心直徑； l_ef為電機的定子鐵心有效長度；P為電機的功率；α_p為極弧系數(shù)；K_Nm為氣隙磁場的波形系數(shù)； K_dp為電樞繞組系數(shù)；A為電流線負荷； B_δ為氣隙磁密。

由式（1）可知，電機功率和轉(zhuǎn)速一定的前提下，電機的主要尺寸取決于電機電磁負荷A和B_δ的選擇，而在電機體積和最高轉(zhuǎn)速不變的前提下，電磁負荷設(shè)計得越高，電機的輸出功率越大，這樣可以有效提升電機的功率密度。由于扁銅線電機所具有的結(jié)構(gòu)特性，其繞組槽滿率高，繞組端部短，散熱能力強，所以其電流線負荷可以設(shè)計得更高，從而實現(xiàn)功率密度和輸出能力的提升。同時扁銅線的特性也可以進一步降低電機的銅損，實現(xiàn)電機效率的提升。

2   性能分析

2.1 圓銅線電機性能分析

原車使用的圓銅線電機主要性能參數(shù)見表1，其是一款電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機，峰值功率36 kW、峰值扭矩120 N·m、最高轉(zhuǎn)速7 500 r·min-1，電壓平臺345 Vdc。

表1 圓銅線電機標稱性能參數(shù)

測功機實測的圓銅線電機的外特性曲線如圖1所示，圖1(a)為圓銅線電機的峰值扭矩曲線，圖1(b)為圓銅線電機的峰值功率曲線。實測的電機峰值功率約為33 kW，峰值扭矩為120 N·m，因測功系統(tǒng)和冷卻條件可能存在誤差，峰值功率與標稱功率存在約8%的差異。

(a)轉(zhuǎn)矩曲線

(b)功率曲線

圖1 圓銅線電機外特性曲線

圖2所示為圓銅線電機的實測效率MAP圖，圖中上半部分為電機運行于第一象限中的電動工況，下半部分為電機運行于第四象限的發(fā)電工況。全轉(zhuǎn)速全扭矩段范圍內(nèi)，其中效率超過80%的高效區(qū)域占比為87.5%，效率超過90%的超高效區(qū)域占比為51.3%，電機的平均效率為87.7%，最高效率為93.9%。

圖2 圓銅線電機效率MAP圖

2.2 扁銅線電機性能分析

本文基于上述圓銅線電機，在保證電機體積不變的前提下，對電機進行重新設(shè)計，定子繞組改用扁銅線，制作完成的樣件如圖3所示。對樣件進行性能測試，改為扁銅線后，電機的峰值功率可達到46 kW，峰值扭矩達到127 N·m，峰值功率提升39%，峰值扭矩提升6%。測試的扁銅線電機外特性曲線如圖4所示，圖4(a)為扁銅線電機的峰值扭矩曲線，圖4(b)為扁銅線電機的峰值功率曲線。

圖3 扁銅線電機定子

(a)轉(zhuǎn)矩曲線

(b)功率曲線

圖4 扁銅線電機外特性曲線

圖5所示為扁銅線樣機的實測效率MAP圖，全轉(zhuǎn)速全扭矩段范圍內(nèi)，其中效率超過80%的高效區(qū)域占比為94.3%，效率超過90%的超高效區(qū)域占比為69.3%，電機的平均效率為90.4%，最高效率為95.4%。在電動工況和發(fā)電工況下，整體效率均有明顯的提升。

圖5 扁銅線電機效率MAP圖

表2所示為圓銅線電機和扁銅線電機的實測性能數(shù)據(jù)對比，在電機體積不變的前提下，電機繞組由圓銅線改為扁銅線后，通過樣件的對比測試分析，電機的功率密度、效率均有較大的提升，符合電動汽車對驅(qū)動電機性能的需求。

2.3 整車NEDC工況下性能分析

NEDC工況是歐洲的汽車續(xù)航測試標準，我國的電動汽車綜合續(xù)航里程測試也采用了NEDC測試標準^[5]。如圖6所示，NEDC循環(huán)工況由4個市區(qū)循環(huán)①和1個郊區(qū)循環(huán)②組成。

表2 圓銅線電機與扁銅線電機性能對比

圖6 NEDC循環(huán)工況

在NEDC循環(huán)工況中，存在停車工況和剎車減速工況，此2種工況分別對應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速為0和扭矩為0，此時電機不做功，對應(yīng)的效率也為0，本文主要分析NEDC循環(huán)工況下的電機效率，固對上述電機不做功的點進行篩除，僅分析電機有功率輸出時的工作點。根據(jù)車型參數(shù)通過軟件將圖6中的NEDC工作點分解為對應(yīng)的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和扭矩，得到該款車型NEDC工況下的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和扭矩分布圖，如圖7所示。

圖7 NEDC工況下電機轉(zhuǎn)速、扭矩分布

根據(jù)圖7得到的NEDC工況下電機的工作點分布，結(jié)合圖2圓銅線電機效率MAP和圖5扁銅線電機效率MAP，利用Matlab軟件進行插值計算，得到NEDC工況下圓銅線電機和扁銅線電機所有工作點的效率，如圖8所示。由圖可見，扁銅線電機NEDC工況下的效率明顯優(yōu)于圓銅線電機，特別是當電機工作在5 500 r·min-1之后的高轉(zhuǎn)速段時，即整車高速行駛時，電機效率大幅提升。NEDC工況下圓銅線電機的平均效率為88.4%，扁銅線電機的平均效率為90.4%，提升2%。NEDC工況下電機轉(zhuǎn)速在5 500 r·min-1之后，即整車車速大于80 km/h時，圓銅線電機的平均效率為88.5%，扁銅線電機的平均效率為94.2%，提升達到5.7%。

3   結(jié)論

本文基于一款36 kW的電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機進行分析，在原車搭載的圓銅線電機基礎(chǔ)上保證電機體積不變的前提下，對電機進行重新設(shè)計，將圓銅線繞組改為扁銅線繞組，并分別進行性能對比測試和分析，得出如下結(jié)論。

圖8 NEDC工況下電機效率對比

1）扁銅線電機較圓銅線電機功率密度和扭矩密度均有提升，其中峰值功率提升約39%，峰值扭矩提升約6%。

2）扁銅線電機較圓銅線電機效率有明顯提升，其中平均效率提升2.5%，最高效率提升1.7%，同時高效率區(qū)的面積也大幅提升，其中效率超過80%的高效率區(qū)占比提升6.8%，效率超過90%的超高效率區(qū)占比提升18%。

3）整車NEDC工況下的電機運行效率有明顯改善，其中NEDC工況下的平均效率提升2%，車速大于80 km/h的高速行駛工況下的平均效率提升達到5.7%。

參考文獻：

[1] 姜華.扁銅線電機交流損耗的計算方法[J].微特電機, 2019,47(12):32-34.

[2] 韓守亮,馮勇敢,楊思雨,等.高效扁銅線繞組電機設(shè)計優(yōu)化[C].第十五屆河南省汽車工程科技學術(shù)研討會論文集, 2018.

[3] 姚學松,沙文瀚,杭孟荀,等.NEDC工況下電動汽車雙電機驅(qū)動系統(tǒng)能耗分析[J].寧夏工程技術(shù), 2018,17(3):235-238.

[4] 陳世坤.電機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[5] 王淑旺,劉健,馬志林,等.基于NEDC的純電動汽車兩擋變速器傳動比設(shè)計[J].機械傳動,2020,40(1):79-83.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）